管道维抢修复合材料应用浅析

程 磊

(中国石油西部管道新疆输油气分公司 新疆 乌鲁木齐 830013)

0 引 言

复合材料使用的历史由来已久，20世纪40年代，因航空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料，从此出现了复合材料这一名称。利用复合材料进行钢质管道修复补强的技术是上世纪90 年代以后发展起来的技术。这种修复补强技术的主要思路是利用纤维材料在纤维方向的高强度特性，利用粘结树脂在服役管道外边包覆一个复合材料修复管道层，来恢复含缺陷管道的服役强度。其优点是不用在服役管道上进行焊接，避免了焊穿和发生氢脆、冷脆的风险。这类方法进行修复补强的费用在焊接修复方法和夹具修复方法之间，其综合性价比在三种类型之间是最好的。在国外，复合材料补强技术已成为各个管道公司普遍接受的补强技术[1,2]。管道维修中使用的复合材料是在各种基体树脂中加入增强纤维的复合材料。基体树脂一般为环氧树脂、聚氨酯、酚醛、乙烯基或聚酯。增强纤维一般为碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维或其他具有有效增强效果的纤维材料。

不同标准[3-5]及相关文献[6]报道了复合材料可修复的缺陷类型，但未有统一结论，特别是对于环焊缝缺陷，相关标准之间仍存在矛盾。同时，在实际做法中，有关复合材料补强厚度计算依据，仍存在争议。本文在简单介绍相关标准对复合材料修复缺陷类型规定后，通过试验数据分析和理论分析，认为复合材料不适用于环焊缝缺陷的修复，但错边缺陷，则可使用复合材料补强。对变形协调和强度匹配做了详细分析，认为复合材料补强厚度计算依据应以变形协调为优先考虑因素。

1 复合材料在管道维修中的应用

1.1 复合材料可修复缺陷类型

国内主要的3个标准中，对复合材料可修复的缺陷类型规定见表1。由表1可知，对于钢管本体的外表面腐蚀、金属损失、轴向裂纹、平滑凹陷等4类缺陷，3个标准均认为可作为永久修复方式，因此复合材料主要用于这4类缺陷的修复。对于管道内表面缺陷，在确保内表面缺陷不生长情况下，复合材料也适用。但对于环焊缝缺陷，3个标准中只有Q/SY 1592—2013认为可作为管道永久修复方式，其他2个标准均认为不可用于环焊缝修复，其原因是复合材料在轴向约束力方面没有得到证明。

表1 复合材料可修复的缺陷列表

注：表中t表示管壁厚度，D表示管道外径

为验证复合材料对环焊缝的修复效果，本文进行了一组试验。制作长12 m的1 219×18.4 mm X80管段2段，每个管段中间预制环焊缝，环焊缝根部预制深度12 mm(2/3t)，环向长300 mm的裂纹缺陷。其中一个管段不采用任何补强手段，直接进行水压试验，爆破压力为21.5 MPa；另一个管段采用23层玻璃纤维修复补强，补强长度623 mm，爆破压力为22.3 MPa。由此可见，玻璃纤维的补强后爆破压力仅提高了0.8 MPa，补强效果基本为零。因此本文认为复合材料适用于管体缺陷的修复补强，而不适用于环焊缝缺陷。

1.2 复合材料修复环焊缝错边缺陷探讨

上节讨论了复合材料并不适用于环焊缝内部缺陷，但对于错边缺陷，现有标准均未作出明确规定复合材料是否可进行修复补强。根据参考文献[7],错边缺陷对管道服役的主要危害是引起环焊缝局部应力集中，降低环焊缝抵抗外部横向载荷的能力，同时若该局部恰好存在某个缺陷，则可能会加速缺陷扩展导致环焊缝断裂。

在承受内压情况下，典型的等壁厚错边缺陷引起应力集中系数为：

(1)

式中，Rb表示内压引起的弯曲应力与内压引起轴向应力的比例因子，e表示错边量，t表示管道壁厚。可见，壁厚越厚，相同错边量的危害越小，故增加管道壁厚可有效降低环焊缝局部的应力集中系数，因此进行复合材料修复相当于增加管道壁厚，对管道服役安全有一定作用。

必须指出，由于复合材料对管道轴向的补强效果不够明显，其仅靠底胶粘结的剪切强度和部分纤维材料的剪切强度进行轴向力传递，因此对于错边处又存在经服役适用性评价不可接受的缺陷，则建议采用其他方法进行修复补强。

2 复合材料维修层厚度的确定

2.1 基于变形协调原理

根据文献[2,3,8],当管道没有泄漏，且承载管体没有屈服时，对于承受内压为主的长输管道，修复层的最小厚度公式为：

(2)

(3)

式中：ts为同等级钢材修复厚度，mm；tc为复合材料最小修复厚度，mm；D为管道外径，mm；σs为管道规定最小屈服强度，MPa；Es为管道材料的弹性模量，GPa；Ec为单层复合材料纤维布的拉伸模量，MPa；P为管道的设计内压，MPa；Ps为当前缺陷情况下管道的最大允许工作压力，MPa。

该公式含义为，因缺陷而损失的承压能力，需要增加管道壁厚来抵消，而管道壁厚非动火情况下无法增加，故通过复合材料缠绕来增加壁厚。由于复合材料和钢管的拉伸模量不同，管壁上的应力要按理想设计情况传递到复合材料上，则需要使复合材料的拉伸模量与钢管相同或接近。使复合材料的拉伸模量与钢管相同或接近，一种方法是使用于钢管拉伸模量接近的复合材料，如碳纤维；另一种方法是使用玻璃纤维等低模量材料，但通过多层等效，即公式(3)最右一项含义，多层等效必须保证复合材料层间粘结力强度足够。同时使用公式(2)、公式(3)时，前提条件是多层复合材料等效后的抗拉强度应高于管道屈服强度。以常规的单层玻璃纤维布抗拉强度约450 MPa为例，若修复X80管道，不论公式(2)、公式(3)计算结果如何，至少使用2层纤维布方可使其等效抗拉强度大于80管道屈服强度。

采用公式(2)进行厚度设计的另一个重要事项是Ps的确定。Ps是通过含缺陷管道剩余强度评估确定的当前缺陷情况下的最大承载压力。实际上，通过剩余强度评价，管道实际存在的大部分体积型缺陷，特别是缺陷深度小于30%t的情况，在缺陷轴向长度不是特别长情况下，均不影响管道正常服役，即Ps的值基本上等同于P，因此就不需要进行修复。但是，管道运行单位因各种原因需要进行补强，如开挖一次费用巨大，这种情况下，如何确定Ps值就需要探讨。一种简单的方法是，认为缺陷损失是一种均匀损失，而补强的原理也不是服役适用性原理采用的剩余强度评价，而是管壁等厚度补强原理，即损失了多少壁厚，通过等效的复合材料补强，基于这种思想，Ps计算公式为：

(4)

式中，d为缺陷的深度，t为管道壁厚。

若用复合材料补强错边缺陷，则ts的计算可根据服役适用性评价标准给出，之后再利用公式(3)进行计算。

2.2 基于等强度原理

一些研究[6]采用等强度原理，即管壁金属损失的强度由复合材料的强度替换，使其保持与管道原设计相同的强度，根据此原理，复合材料的补强厚度计算公式为：

(5)

式中sc为单层复合材料产品的抗拉强度。该公式原理虽与公式(4)原理看似类似，但公式(4)需结合公式(2)、(3)使用，其本质仍为应变协调原理。对比公式(2)和公式(5)，以常用的玻璃纤维布为例，其单层纤维布的拉伸模量约为20 GPa，抗拉强度约为450 MPa。由于玻璃纤维和钢材弹性模量相差近10倍，由此公式(1)计算的补强厚度远大于公式(5)计算的厚度。

若要使管道的应力完全传递给复合材料，使得复合材料承受的应力接近其抗拉强度，由于复合材料拉伸模量较钢材低很多，则必须使复合材料发生较大变形。根据变形协调原理，此时管体也将发生较大变形以致屈服。若以不发生屈服变形为条件，则应谨慎使用公式(5)作为补强厚度依据。

3 结 论

1)复合材料适用于油气管道管体外表面腐蚀、金属损失、轴向裂纹、平滑凹陷的补强，不适用于环焊缝缺陷的补强，但可用于环焊缝错边缺陷的补强。

2)以含缺陷管段处不发生屈服变形为服役安全的底线，应更加考虑复合材料的环向拉伸模量，在确保不发生其他风险情况下，应尽量使用拉伸模量与钢管弹性模量接近的复合材料。

3)复合材料补强前，应注重含缺陷管道剩余强度评价结果，根据评价结果计算修复层厚度。